没有大脑的记忆:单个细胞黏菌如何做出明智的决定

physarum polycephalum.

黏菌physarum polycephalum.由一个生物细胞组成。显微注射可以用颜色标记绒泡菌中的流动情况。资料来源:Bjoern Kscheschinski / MPIDS

一个单细胞黏菌如何在没有中枢神经系统的情况下做出明智的决定。

对过去事件的记忆能使我们对未来做出更明智的决定。马克斯-普朗克动力学和自组织研究所(MPI-DS)和慕尼黑工业大学(TUM)的研究人员现在已经确定了黏菌多头绒泡菌是如何储存记忆的——尽管它没有神经系统。

储存和恢复信息的能力使生物在寻找食物或躲避有害环境时具有明显的优势。传统上,它被认为是有神经系统的生物体。

Mirna Kramar (MPI-DS)和Karen Alim教授(TUM和MPI-DS)的一项新研究对这一观点提出了挑战,他们发现了高度动态单细胞生物存储和检索环境信息的惊人能力。

窗户到了过去

几十年来,黏菌多头绒泡菌一直困扰着研究人员。存在于动物、植物和真菌王国之间的十字路口,这种独特的有机体提供了对真核生物早期进化历史的洞察——人类也属于真核生物。

凯伦alim

慕尼黑工业大学的Karen Alim教授和马克斯-普朗克动力学和自组织研究所的Mirna Kramar教授发现了黏菌绒泡菌如何将其与食物相遇的记忆直接编织到网状体的结构中,并在未来做出决定时使用存储的信息。资料来源:Bilderfest / TUM

它的身体是一个巨大的单细胞,由相互连接的管组成,形成复杂的网络。这个形似变形虫的细胞可以伸展几厘米甚至几米,是吉尼斯世界纪录中地球上最大的细胞。

把网络架构当作存储器

“当一个项目从一个简单的实验观察开始时,这是非常令人兴奋的,”在慕尼黑技术大学的生物网络的MPI-DS中,生物物理和形态学和形态发生,生物理物理和形态学群头的Karen Alim说。

当研究人员遵循生物体的迁移和喂养过程并观察到在喂养后长度较厚和较薄的管的较厚和较薄管的图案的不同印记。

Petri盘的Physarum polycephalum

粘液模液体Polycephalum由单一的生物细胞组成。由于他的巧妙能力使他的管状网络调整到不断变化的环境,他被称为“智能”。Tum和MPI-DS的研究人员现在已经发现它是如何存储信息的研究 - 即使没有具有神经系统或大脑。信用:Nico Schramma / MPI-DS

“给定的P. Polycephalum的高度动态网络重组,这种印记的持久性引发了网络架构本身可以作为过去的记忆的想法,”Karen Alim说。但是,他们首先需要解释印记形成背后的机制。

决定是由回忆引导的

为此目的,研究人员将管状网络适应与理论建模的微观观察组合。与食物的遭遇触发了一种从整个生物体中发现食物并软化在网络中的管道的地点的化学物质的释放,使整个生物体重新定位其向食物的迁移。

第一作者Mirna Kramar说:“在逐渐软化的过程中,先前食物来源留下的印记开始发挥作用,信息也在这里存储和检索。”“过去的馈电事件嵌入在管道直径的层次中,特别是在网络中厚管和薄管的排列中。”

Mirna Kramar补充说:“对于现在运输的软化化学物质来说,网络中的粗管就像交通网络中的高速公路,能够在整个有机体中快速运输。”“在网络架构中,之前的遭遇会影响未来迁移方向的决定。”

基于普遍原则的设计

“鉴于这种生活网络的简单性,生理能力形成记忆的能力是有趣的。本有机体依赖于这种简单的机制,但是以这种微调的方式控制它,“Karen Alim说。

“这些结果为理解这种古老生物的行为提供了重要的线索,同时也指向了行为背后的普遍原则。”我们展望我们的发现在设计智能材料和制造在复杂环境中导航的软机器人方面的潜在应用。”

参考:Mirna Kramar和Karen Alim于2021年2月23日发表的《生活流网络的管径层次编码记忆》(Encoding memory in tube diameter hierarchy of living flow network)美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.2007815118

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